خرید ارزان استفاده از طیف سنجی رامان برای بررسی غیرمخرب پارامترهای کیفی میوه گوجه فرنگی 11 ص

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل : Word (..docx) ( قابل ویرایش و آماده پرینت )
تعداد صفحه : 9 صفحه

قسمتی از متن Word (..docx) :

استفاده از طیف سنجی رامان برای بررسی غیرمخرب پارامترهای کیفی میوه گوجه فرنگی (کد مقاله 301) چکیده تنوع و فراوانی پارامترها و ویژگی های کیفی محصولات کشاورزی، مهمترین دلیل توسعه انواع روشهای غیر مخرب بوده است. در سالهای اخیر دید ماشین، روشهای اپتیکی چون اسپکتروسکوپی رامان، NMR و NIR ، انتشار صوت، روش فراصوت و غیره، در حال گسترش و توسعه می باشد که هر کدام برای اندازه گیری پارامتر کیفی خاصی کاربرد دارند. برای درجه بندی میوه ها روش های مختلفی به کار برده می شود که اغلب آن ها مخرب و یا کند می باشند ولی اندازه گیری سریع، غیر مخرب و دقیق عامل های کیفی میوه ها از جمله میوه گوجه فرنگی نظیر میزان مواد جامد محلول، pH و رنگ از اهمیت بالایی برخوردار می باشد. برای همین منظور از روش های مختلفی می توان استفاده نمود. از مدرنترین روش های مذکور می توان به طیف سنجی لیزری رامان اشاره کرد. این روش با توجه به بکارگیری انواع لیزرها، بلورهای غیرخطی برای ایجاد طول موج های مختلف مورد نیاز، ابزار آشکار سازی و استفاده از نرم افزارهای مدرن به طور وسیعی در زمینه های مختلف علوم، مهندسی، پزشکی و کشاورزی کاربرد پیدا کرده است و با توجه به مزایای چشمگیر آن در قیاس با روش پرکاربرد NIR توانسته است جایگاه خاصی در تحقیقات حاضر در زمینه کشاورزی پیدا نماید. در تحقیق حاضر با استفاده از روش طیف سنجی رامان اندازه گیری غیر مخرب پارامترهای کیفی میوه گوجه فرنگی انجام شده است. نتایج حاصل نشان دادند که وجود کارتنوئیدهای لیکوپن و کاروتن به عنوان مهم ترین رنگدانه های موجود در گوجه فرنگی به خوبی توسط طیف های به دست آمده اثبات شد به طوری که هر سه منطقه مشخصه کارتنوئیدها در تمامی طیف ها قابل تمییز بود. همچنین طیف سنجی انجام شده در این تحقیق وجود کربوهیدرات ها را نیز با ارتعاش C-H بروز داد. بدین ترتیب با اطمینان می توان از روش مذکور جهت درجه بندی غیر مخرب پارامترهای خارجی (مانند رنگ میوه به عنوان مهمترین شاخص رسیدگی گوجه فرنگی) و داخلی (مانند میزان مواد جامد محلول) بهره جست. کلیدواژه: طیف سنجی رامان، میوه گوجه فرنگی، ارزیابی غیر مخرب، پارامترهای کیفی مقدمه مروری بر روشهای غیرمخرب و سایر روشهای اپتیکی آزمایشاتی غیرمخرب محسوب می شوند که اثرات مخرب فتوفیزیکی، حرارتی، شیمیایی، مکانیکی و فتوشیمیایی نداشته باشند [21]. روشهای متعددی تاکنون برای کیفیت سنجی غیر مخرب محصولات کشاورزی ابداع شده اند که تنها برخی از آنها توانسته شرایط فوق را برآورده ساخته و از لحاظ فنی و صنعتی توجیه داشته باشند. روشهای اپتیکی، مکانیکی، شیمیایی و امواج الکترومغناطیسی و صوتی در توسعه آزمونهای غیرمخرب نقش اساس داشته اند. اما روشهای بکار رفته قادرند پارامترهای محدودی از میوه ها را کاوش کنند. بنابراین لازم است شرایط حاکم در این روشها به دقت بررسی شده و در گزارش یا ثبت نتایج آزمایش لحاظ شوند. برای مثال اندازه گیری رنگ در گوجه فرنگی برای تخمین رسیدگی و زمان برداشت کافی است [4]، پس می توان با اندازه گیری یک پارامتر (رنگ) توسط طیف مرئی یا پردازش تصویر، تخمین مناسبی از وضعیت بیولوژیکی گوجه فرنگی حاصل نمود. همچنین در روشهای غیر مخرب ممکن است بیش از یک فاکتور بر داده بدست آمده تاثیر بگذارد که اندازه گیری را با خطا مواجه خواهد ساخت و به همین دلیل این سیستم ها نیاز به کالیبراسیون (واسنجی) قوی خواهند داشت. در ذیل، سامانه های غیر مخرب رایج در کشاورزی به اختصار شرح داده می شوند. از سال 1980، روش غیر مخرب NIRS در تعیین برخی خصوصیات میوه ها مانند سفتی، میزان مواد جامد محلول، رنگ، نشاسته و اسیدیته بکار رفته است. طیف NIRS طول موجهای بین 750 تا 2500 نانومتر(1-cm 4000، 12500) را پوشش می دهد. این روش برای تعیین ترکیبات شیمیایی شامل گروههای OH- ، CH-، NH- مناسب است. امروزه استفاده از این فن آوری در بررسی خصوصیات داخلی میوه ها به حالت صنعتی نیز رسیده است و به عنوان مثال برای هلو، مرکبات و هندوانه سامانه های جداسازی طراحی شده است که مبنای درجه بندی و یا جداسازی آنها، طیف سنجی عبوری و یا بازتابی NIR است. منبع نور اغلب طیف سنجهای NIR، لامپ های هالوژن می باشد. مشکل اصلی، نفوذ کم این نور در داخل میوه عنوان شده است. یک راه حل این مشکل استفاده از لامپ هایی با توان بالاست که ایجاد تاثیرات فتوشیمیایی و فتوفیزیکی بر روی میوه مشکل اصلی آن خواهد بود. اما استفاده از دیودهای لیزری راه حل دیگری است که در دست مطالعه است. از طرفی استفاده از طیف سنج های قابل حمل نیز رایج شده و حتی به صورت تجاری عرضه شده است که واسنجی (کالیبراسیون) و استاندارد کردن آنها موضوع مورد مطالعه سالهای اخیر بوده است [11]. مقالات متعددی در زمینه کاربرد NIRS در میوه ها چاپ شده است. تاکنون کاربردهای زیادی از تکنیک NMR و MRI در کشاورزی گزارش شده است. کارآیی این تکنیک در محصولات آبدار بیشتر می باشد. زیرا هسته های هیدروژن پاسخ خوبی به میدانهای مغناطیسی نشان می دهند [8]. اختلالات موجود در توزیع آب، صدمات ناشی از سرد شدن، لهیدگی، فساد، حضور حشرات و غیره را می توان باNMR کاوش نمود. به طور کلی روشهای MRI و NMR به دلیل گران بودن و پیچیدگی استفاده وسیعی نداشته و در کشاورزی توجیه صنعتی نداشته است. اما در علم پزشکی به خصوص در کاوش تومورها، تجهیزات ارزان قیمت و ساده نیز عرضه شده اند که تصویر برداری NMR و MRI کاربردهای تجارتی فراوانی داشته اند و در نتیجه به روش رایج تبدیل گشته اند [10]. در بین روشهای غیر مخرب، روش MRI دارای بیشترین دقت است، ولی یکی از معایب مهم آن تاثیر مهم زیاد سرعت اندازه گیری بر دقت دستگاه است. بنابراین سرعت اندازه گیری، پایین خواهد بود. همچنین برای میوه های با درصد رطوبت پایین روش مناسبی توصیه نشده است. با این حال، روش MRI و NMR توانایی زیادی در ارزیابی کیفیت درونی میوه جات و سبزیجات به خصوص اندازه گیری رطوبت و روغن دارند [4]. تکنیک دید ماشین (Machine Vision) یکی از نخستین روشهای ارزیابی محصولات کشاورزی بوده است و عمده کاربرد گسترده آن با پیشرفت و توسعه سامانه های سخت افزاری پردازش تصویر توام شده است. در حال حاضر، دید ماشین به طور وسیعی در کشاورزی و ارزیابی محصولات استفاده می شود. در مجموع می توان گفت بیشترین کاربرد این تکنیک در سیستم های درجه بندی محصولات کشاورزی، تشخیص رنگ، عیوب ظاهری و بافت بوده است. علاوه بر میوه ها، انواع گوشت، پیتزا و لاشه های حیوانات نیز مورد مطالعه بوده است [12]. از مهمترین مزایای این روش می توان سرعت تولید دادهای توصیفی از محصول، کاهش حجم کاری توسط کاربر، اقتصادی بودن و آسانی، غیر مخرب و بی زیان بودن، دارای سیستم کنترلی پایدار را نام برد. اما در مقابل معایبی نیز دارد. برای مثال، سیستم نورپردازی در این روش بایستی بسیار دقیق بوده و باالطبع در محیط های مختلف، متفاوت خواهد بود. همچمنین در نورپردازی غیرساختاری، تشخیص شی با مشکلاتی مواجه می باشد. علاوه براین، کار در شرایط کم نور و تاریک بسیار دشوار خواهد شد [7]. با وجود اینکه می توان توصیف کیفی درونی محصولات با استفاده از دید ماشین را به صورت غیرمستقیم امکان پذیر ساخت، این روش قادر به اندازه گیری خصوصیات داخلی محصولات نمی باشد، چرا که تنها از تصویر بدست آمده از شی استفاده می کند [10]. تابش های با طول موج کوتاه مانند اشعه x و گاما قادرند به اغلب محصولات کشاورزی نفوذ کنند. میزان نفوذ بستگی به چگالی و ضریب جذب محصول دارد. بنابراین هر دو پرتو مذکور برای اندازه گیری آن دسته از پارامترهای کیفی مناسب است که وابسته به تغییرات جرم هستند، برای مثال قسمت سر کاهو با افزایش رسیدگی، چگالتر می شود. استفاده از اشعه x در بازرسی روی خط محصولات کشاروزی در ابعاد محدود گزارش شده است، زیرا این روش به چگالی جرمی ماده حساس است نه ترکیبات شیمیایی [4]. تعیین رطوبت سیب،تغییرات چگالی در مراحل مختلف رسیدگی گوجه فرنگی و آلودگی به حشرات مواردی هستند که با اشعه x اندازه گیری و یا آزمایش شده اند [8]. مهمترین معایب این روشها، محدودیت و مشکلات تولید این اشعه ها و اثرات بهداشتی آن است. اشعه گاما جزء امواج الکترومغناطیسی است که منبع تبدیل آن چشمه های هسته ای است. بنابراین تولید پیوسته ای دارد. اما اشعه x توسط دستگاه تولید می شود. گران بودن و پیچیدگی تجهیزات بکار رفته، عیب قابل توجهی است. استفاده از دوزهای بالا باعث محدودیت های فیزیولوژیکی و بهداشتی می شود. به عبارت دیگر این اشعه، باعث یونیزه شدن برخی مولکولهای محصولات کشاورزی می شود که به احتمال، بیماری مصرف کنندگان به دنبال خواهد داشت. استفاده از امواج فراصوت نیز یکی از روش های مکانیکی غیر مخرب برای اندازه گیری کیفیت محصولات است که توسعه ی آن با چالش های جدی رو به رو است چراکه بکارگیری امواج فراصوتی برای کیفیت سنجی، نیازمند دانستن و یا اندازه گیری خواص فراصوتی محصولات کشاورزی است. یکی از کاربردهای فراصوت، آزمایش سبزی ها و میوه ها است که به دلیل غیرهمگن بودن بافت آنها، در بسامدهای زیاد میرایی زیادی دارند. آشکارسازی آسیب های داخلی در بسامد کم مشکل است. علاوه بر آن، استفاده از بسامد تحریک کم (کمتر از kHz100) برای آشکارسازی آسیب های عمیق در روش تپ بازتاب تقریباٌ غیر ممکن است. زیرا نوار امواج را نمی توان به صورت متمرکز و تیز درآورد. به طور خلاصه می توان کاربدهای روشهای فوق را در جدول 1، مشاهده نمود. جدول 1: روشهای مختلف اندازه گیری غیر مخرب پارامترهای کیفی محصولات کشاورزی مبنای علمی روش خصوصیات قابل اندازه گیری  اپتیکی پردازش و تحلیل تصویر سایز، شکل، رنگ، عیوب ظاهری   طیف سنجی عبوری، بازتابی و جذبی رنگ، عیوب داخلی، قند، اسیدیته، SSC، عیوب ظاهری، سفتی   طیف سنجی لیزری   اشعه X اشعه X حفره های داخلی، ساختار و درجه رسیدگی  مکانیکی ارتعاشی سفتی، رسیدگی، ویسکوالاستیسیته   صوتی و فراصوتی سفتی، رسیدگی، ویسکوالاستیسیته، حفره های داخلی، قند و چگالی  الکترومغناطیس MRI و NMR رطوبت، قند، حفره های داخلی   روش رامان به عنوان روش جدید همانطور که دیده شد، استفاده از نور بازتابی، عبوری و پراکنده شده به منظور اندازه گیری خواص داخلی و خارجی میوه جات از دیر باز مطرح بوده است. به تازگی طبقه بندی میوه ها و برحی سبزیجات بر حسب رنگ آنها رواج پیدا کرده است و چون با تغییر رنگ قابلیت بازتابش و عبوردهی نور از یک محصول تغییر می کند، می توان از طیف سنجی های مختلف برای اندازه گیری برخی خواص مختلف از جمله رنگ آنها استفاده نمود [2]. این روش به همراه روشهای دیگر در دو دهه اخیر، مبنای آزمایشهای غیرمخرب جهت تعیین و اندازه گیری عاملهای کیفی محصولات کشاورزی بوده و اهمیت بالایی را از نظر زمینه های تحقیقی کسب کرده اند. آزمون غیرمخرب در کشاورزی، آزمونی است که اثرات سوء شیمیایی، فتوشیمیایی، گرمایی و فتوفیزیکی یر روی میوه به جای نگذارد [20]. تعداد کمی از روشهای تحلیلی که تاکنون معرفی شده اند، قادر به ارضاء شرایط فوق بوده و از حساسیت لازم برای آشکارسازی ترکیبات و جزئیات ساختاری میوه ها برخوردار می باشند مانند طیف سنجی NMR، طیف سنجی IR و طیف سنجی رامان [21]. اما در بین روشهای یاد شده، طیف سنجی پراکندگی رامان جذابیت فوق العاده ای در میان محققان علوم پزشکی، دارویی و علوم زیستی پیدا نموده است، بطوریکه قویترین روش از بین روشهای فوق قلمداد می شود [13 و 21]. به دلیل اینکه ارتعاشات اتمها در ملکول ها به تغییرات و ترکیبات شیمیایی ماده حساس است، طیف ارتعاشی می تواند اطلاعات بسیار مفیدی راجع به خواص شیمیایی و ترکیبات تشکیل دهنده مواد ارائه دهد [3]. طیف سنجی پراکندگی رامان نسبت به طیف سنجی رایج IR (که کاربردهای وسیعی در کشاورزی پیدا کرده است) مزایای برجسته ای دارد از آن جمله: پدیده رامان تکنیکی ایده آل برای مطالعات بیولوژیکی است، چراکه آب یک پخش کننده رامان ضعیف به شمار می رود و در نتیجه تاثیر آن در ایجاد خطا بسیار اندک است. این مساله به خصوص در مورد محصولات کشاورزی که بخش اعظمی از مواد آنها را آب تشکیل می دهد، اهمیت ویژه ای پیدا می کند (برای مثال بیش از 90% از جرم گوجه فرنگی از آب تشکیل شده است). رامان می تواند محدوده وسیعی از نواحی طیفی را (cm-1 10 تا cm-1 4000) در یک بار ثبت طیفی پوشش دهد. این در حالیست که برای پوشش چنین محدوده ای با تکنیک IR به شبکه های پخش کننده، فیلترها و آشکارسازهای متنوعی نیاز هست و بایستی برای هر محدوده این تجهیزات را تغییر داد [3]. قطر اشعه لیزری که به عنوان منبع نوردهی در دستگاه طیف سنج رامان استفاده می شود، در حدود 2/0 تا 2 میلی متر است. به عبارت دیگر می توان با نمونه های بسیار ریز و با حجم کم هم کار کرد و یا مناطق کوچک روی میوه را هم کاوش نمود [25]. علاوه بر آن، حساسیت بالا، زمان کوتاه آزمایش، عدم نیاز به آماده سازی نمونه و غیر مخرب بودن این تکنیک، مزایای دیگری هستند که بر جذابیت استفاده از طیف سنجی پراکندگی رامان افزوده اند [25]. با این توصیف تکنیک رامان، روشی رو به رشد است و هر روز ابعاد جدیدی از کاربردهای آن برای محققان روشن می شود [18]. در حیطه کاربرد طیف سنجی در ارزیابی مواد کشاورزی تحقیقات فراوانی بویژه با تکنیک IR انجام گرفته است، اما کاربرد روش رامان در ارزیابی غیر مخرب محصولات کشاورزی، زمینه نوینی است که همچنان رو به رشد می باشد. در تحقیقی تعیین سریع و غیر مخرب کارتنوئیدهای مختلف در گوجه فرنگی با استفاده از طیف سنجی پراکندگی رامان انجام شده است. در این تحقیق نشان داده شد که ارتعاشات کششی C-C و C=C در cm-1 1510 و cm-1 1156 به عنوان شاخصه ای از وجود لیکوپین در میوه است [22]. همچنین وجود کارتنوئیدها در گوجه فرنگی، هویج، فلفل قرمز و زعفران توسط طیف سنجی رامان انجام شده است. طول موج تهییج nm 5/512 بود و از دوربین CCD برای آشکارسازی رامان استفاده شد. در این تحقیق نیز عدد موجهای مربوط به هر ترکیب گزارش شد. پدیده پراکندگی رامان به خوبی توانسته بود کارتنوئیدها را کاوش کند [24]. لهیدگی میوه سیب با طیف سنجی پراکندگی رامان، در تحقیقی به صورت غیر مخرب اندازه گیری شده است. در این تحقیق سیب ها از ارتفاع معینی سقوط داده شدند تا لهیدگی ظاهر شود، سپس با استفاده از دستگاه رامان Thermo Nicolet، طیف های بدست آمده مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج بررسی مطلوب گزارش شده است [14]. از طیف های رامان برای تشخیص میزان آفت کش ها بر روی سطح ظاهری میوه ها استفاده شده است. در این کار دو نوع لیزر در طول موج های مختلف بکار برده شد و تاثیر آنها در کاوش میزان آلودگی سطحی میوه بررسی شد. لیزر با طول موج nm 1064 نتیجه قابل قبولی ارائه کرد [25]. استفاده از رامان در پزشکی به مراتب از کشاورزی وسیع تر بوده است بطوریکه موسسات علمی و آزمایشگاه های تشخیص دارویی بسیاری در حال استفاده از فن آوری پدیده رامان در تشخیص لوازم دارویی و بهداشتی می باشند. این فن آوری حتی در سازمان ناسا نیز برای تشخیص مواد در مریخ و ماه استفاده می شود [5]. حتی طیف سنج های دستی رامان به مرحله تولید صنعتی رسیده اند و استفاده می شوند [5]. در اینجا فقط به یک مورد از تحقیقات انجام گرفته در تشخیص پزشکی ذکر می شود که بر روی بافت پوست انسان و تشخیص سرطان پوست انجام شده است. این تحقیق بخوبی توانسته است بافت سرطانی را از سالم با استفاده از تغییرات ساختار پروتئین و لیپید تشخیص دهد [16]. همچنین Melanoma به عنوان خطرناکترین سرطان پوست در تحقیقی دیگر توسط طیف سنجی رامان مورد تشخیص قرار گرفت. این روش توانست تا 99% موارد مورد اندازه گیری را درست تشخیص دهد [15]. مروری بر تحقیقات انجام شده توسط طیف سنجی MIR و رامان در کاربردهای پزشکی منتشر شده است [19]. میوه گوجه فرنگی (Lycopersicon esculentum L.) منبع غنی از آنتی اکسیدان، ویتامین ها و ترکیبات غذایی می باشد [6] و تشخیص و بررسی دقیق میزان این ترکیبات در ارزیابی کیفی محصول عرضه شده به بازار نقش عمده ای دارد [17]. از طرفی ارزیابی معمول این خصوصیات در آزمایشگاه مخرب بوده و میوه مورد آزمایش از بین می رود. همچنین روشهای آزمایشگاهی مرسوم بسیار وقت گیر بوده و علاوه بر آن، به کالیبراسیون و اندازه گیری های متعدد نیازمند است. طیف سنجی پراکندگی رامان به عنوان یک تکنیک رو به رشد و قدرتمند می تواند گزینه مناسبی برای آزمون غیر مخرب خصوصیات کیفی محصول از جمله میزان قند، pH و رنگ باشد. میزان قند محلول و اسیدیته مشخصه های مهمی برای ارزیابی رسیدگی و کیفیت میوه ها به شمار می روند. مهمترین ویژگی ظاهری رسیدگی گوجه فرنگی رنگ می باشد که فاکتور مهمی در تصمیم گیری مشتری برای خرید آن است. درجه رسیدگی نیز معمولا با استفاده از چارت های رنگی تعیین می شود [9]. مواد و روشها تحقیقات انجام گرفته در کشاورزی محدود به عاملهای خاصی بوده است، در حالیکه می توان از قابلیت های این تکنیک در بررسی خواص دیگر میوه ها از جمله فاکتورهای شیمیایی و مکانیکی نیز بهره جست. بنابراین تحقیقی مبتنی بر تعیین غیر مخرب و سریع عاملهای کیفی میوه ها و به طور ویژه میوه گوجه فرنگی، با استفاده از طیف سنجی رامان و معرفی این تکنیک به عنوان جایگزینی برای روشهای مخرب و مرسوم تدوین گشت. لازم به ذکر می باشد که تا بحال اندازه گیری بیش از یک عامل کیفی با استفاده از روشهای طیف سنجی به دلیل پیچیدگی تفسیر و حجم زیاد متغیرها انجام نشده است. همچنین استفاده از پراکندگی رامان در اندازه گیری خصوصیات کیفی گوجه فرنگی و بخصوص رنگ و قند در منابع گزارش نشده است. بنابراین تحقیق حاضر در نوع خود در ایران و جهان جدید می باشد.